多孔镍基电极材料的可控制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-12-06 19:31

  本文关键词：多孔镍基电极材料的可控制备及其电化学性能研究

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【摘要】：无论是超级电容器储能还是电解水制氢,电极材料都是影响它们整体性能的关键因素之一。目前,由于电极材料存在导电性差、比表面积小、结构稳定性差等问题,导致超级电容器的能量密度和性能稳定性以及电解水装置的槽电压和制氢效率都无法满足实际生产需要,从而制约了超级电容器储能和电解水制氢的发展。因此,本论文拟通过简易、可控的电沉积技术在导电基体上合成多孔镍基电极材料,该类电极具有大的比表面积、良好的导电性和稳定的孔状结构,有望替代传统的碳基材料,成为新一代的电极材料。电化学测试结果表明:这些多孔镍基电极具有高比电容、快速充放电和性能稳定性等优点,通过自组装成不对称超级电容器,能明显提高电容器的能量密度。此外,部分多孔镍基电极也表现出了优异的催化电解水产氢和析氧性能,组装成完整电解水器件后,能有效地降低电解水的槽电压。具体内容如下:(1)针对聚吡咯存在的实际电容低、结构不稳定等缺陷,制备了一种新型的聚吡咯@三维镍金属核壳结构电极(PPy@3D-Ni)。在这个理性设计的电极中,不仅镍金属有效提高了聚吡咯的导电性,而且三维多孔的结构能够促进电解质离子的短暂蓄存和快速传输,从而大大提高聚吡咯的比电容和循环稳定性。基于PPy@3D-Ni电极组装的对称电容器,显示了很高的比能量密度(21.2 Wh kg-1)和非常好的稳定性。(2)区别于PPy以膜的方式沉积在3D-Ni表面,NixCo2x(OH)6x层状纳米片生长在双重3D-Ni骨架表面上面,使电极材料的负载量和活性位点量得到增大,减少了活性位点死角。在大负载量NixCo2x(OH)6x的情况下,复合电极依然保持高比电容、高倍率电容和稳定性好等特点。与此同时,基于对称电容器电位窗口较小的缺点,组装了基于Ni_xCo_(2x)(OH)_(6x)@Ni电极为正极和活性炭/碳纳米管混合材料为负极的不对称超级电容器,结果表明:其电位窗口能拓宽达到1.5 V,且能量密度达到44.2 Wh kg-1。此外,其3D片层状结构能够促进电荷传递和电解液离子传输,也有利于析出气体的疏散排出,从而也表现出优越的电解水OER催化活性和长时间稳定性能。(3)结合PPy材料负的操作电位窗口和片层结构材料的优越性,将PPy沉积在双重3D-Ni骨架@花瓣状MnO_2表面,制备出了蜗牛状的Ni@MnO_2@PPy,其操作电位窗口为-0.7~0.1 V(vs.SCE),具备作为不对称超级电容器负极的能力。通过改变PPy和MnO_2电沉积的次序,还可以制备出毛毛球状的Ni@PPy@MnO_2,该电极主要表现出MnO_2的电化学行为,其操作电位窗口为0~0.8 V(vs.SCE),可作为不对称超级电容器的正极。因此,基于以上两种电极组装了一种不对称超级电容器,其稳定电位窗口在1.3~1.5 V之间,最大比能量密度可达59.8 Wh Kg-1。(4)通过理性设计和可控合成了一种多孔的高氯酸掺杂PPy@NiNTAs。旨在用自下而上的策略,从分子水平(高氯酸掺杂)到纳米尺寸(孔洞和波叠加PPy纳米包裹)再到微米级别(自支撑的Ni纳米管阵列膜)去提升PPy的赝电容和稳定性,其稳定电位窗口为-0.8~0.7 V vs.SCE,具备作为超级电容器正负极的能力。应用NiNTAs@PPy膜电极,分别组装了对称和不对称超级电容器,它们展现了较高的比能量密度(≈50.0 Wh Kg-1)。(5)通过温和简单的方法制备了自生长的3D多孔Ni/NiP和Ni/NiS电极,分别具有独特的氧化物/NiP和氧化物/NiS异质结,展现出优异的双功能催化性能。电化学测试结果和机理解析表明:3D多孔结构、活性物质与电极之间强劲的结合力、快速的电荷传递能力和独特的结构诱导电子效应等是Ni/NiP电极展现出高效稳定的HER和OER催化性能的主要原因。基于Ni/NiP电极组装的Ni/NiP//Ni/NiP电解器,其仅需1.61 V槽电压就可达到10 mA cm-2的电流密度,同时展现了非常稳定的电解水性能和100%的法拉第效率。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646.54

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本文编号：1259728